快速排序（非递归）——C语言实现

一、递归算法快速排序分析

在快速排序这篇文章中——>【快速排序点击这里】已经提到并分析了，递归会建立函数栈帧，递归的深度越深，占用栈区的空间就越大，栈区的大小一般是8M，10M。当深度足够深时，栈区的空间就会被用完，导致栈溢出，即便是加了小区间优化，依然会存在栈溢出的缺陷，所以我们必须寻求一种稳妥的方法，这种方法就是非递归实现。

二、非递归算法实现快速排序

2.1 需求分析

  我们采用递归算法来实现快速排序时，我们递归的到底是什么？很简单，我们通过递归，就是再次调用该函数的功能，也就是单趟排序。那么我们如果不用递归，该如何保证能像递归一样，一直调用单趟排序这个功能呢？

答案就是：循环

  只要满足循环条件，就一直循环下去。 到这里，我们又会想到，每一次进行单趟排序的函数参数不一样啊。是的，没错。由于递归会在栈上建立函数栈帧，而栈帧里面伴我们存着下次调用该函数的参数，所以，如果我们用非递归，那我们就必须把每一次循环的参数记录下来，供单趟排序使用。怎么解决呢：

答案就是：使用数据结构里面的栈

2.2 图解分析（如何利用栈）

众所周知，栈的特性是先进后出，我们拿数组arr=[5,2,4,7,9,1,3,6]来举栗子。
第一步：我们先把区间的右边界值7进行压栈，然后把区间的左边界值0进行压栈，那我们取出时就可以先取到左边界值，后取到后边界值

第二步：我们获取栈顶元素，先取到0给left，后取到7给right，进行单趟排序
第三步：第一趟排完后，区间被分为左子区间和右子区间。为了先处理左边，所以我们先将右子区间压栈，分别压入7和5，然后压入左子区间，3和0
第四步：取出0和3进行单趟排序
第五步：此时左子区间又被划分为左右两个子区间，但是右子区间只有4一个值，不再压栈，所以只入左子区间，将1和0压栈

第六步：取出0和1进行单趟排序
第七步：至此，左子区间全部被排完，这时候才可以出5和7排右子区间，是不是很神奇？这个流程其实和递归是一模一样的，顺序也没变，但解决了递归的致命缺陷——栈溢出。后面的流程就不一一展现了

三、快排（非递归）代码

这里我会把数据结构的栈也放出来，三数取中也加在里面

QuickSort:

//交换函数
void Swap(int* p1, int* p2)
{
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

//三数取中
int GetMinIndex(int* arr, int left, int right)
{
	int mid = (left + right) >> 1;
	if (arr[left] < arr[mid])
	{
		if (arr[mid] < arr[right])
		{
			return mid;
		}
		if (arr[left] < arr[right] && arr[right] < arr[mid])
		{
			return right;
		}
		return left;
	}
	else//arr[left] >= arr[mid]
	{
		if (arr[left] < arr[right])
		{
			return left;
		}
		if (arr[mid] < arr[right] && arr[right] < arr[left])
		{
			return right;
		}
		return mid;
	}
}

//快排非递归
void QuickSort(int* arr, int n)
{
	ST st;
	StackInit(&st);

	//把左右区间压栈，先压右边
	StackPush(&st, n - 1);
	//后压左边
	StackPush(&st, 0);

	//只要栈不为空，就继续分割排序
	while (!StackEmpty(&st))
	{
		//从栈里面取出左右区间
		int left = StackTop(&st);
		StackPop(&st);
		int right = StackTop(&st);
		StackPop(&st);

		int index = GetMinIndex(arr, left, right);
		//因为我们下面的逻辑都是把第一个数作为key，
		//为了避免改动代码，这里我们直接交换就可以
		Swap(&arr[left], &arr[index]);

		//开始单趟排序
		int begin = left;
		int end = right;
		int pivot = begin;
		int key = arr[begin];

		while (begin < end)
		{
			//end开始找小
			while (begin < end && arr[end] >= key)
			{
				end--;
			}
			arr[pivot] = arr[end];
			pivot = end;
			//begin开始找大
			while (begin < end && arr[begin] <= key)
			{
				begin++;
			}
			arr[pivot] = arr[begin];
			pivot = begin;
		}
		pivot = begin;
		arr[pivot] = key;

		//区间分为[left,pivot-1]pivot[pivot+1,right]
		//利用循环继续分割区间
		//先入右子区间
		if (pivot + 1 < right)
		{
			//说明右子区间不止一个数
			//先入右边边界
			StackPush(&st, right);
			//再入左边边界
			StackPush(&st, pivot+1);
		}

		//再入左子区间
		if (left < pivot-1)
		{
			//说明左子区间不止一个数
			//先入右边边界
			StackPush(&st, pivot-1);
			//再入左边边界
			StackPush(&st, left);
		}	
	}
	StackDestory(&st);
}

Stack.h:

#pragma once
#include
#include
#include
#include
typedef int STDateType;
typedef struct Stack
{
	STDateType* a;
	STDateType top;
	int capacity;
}ST;

//初始化栈
void StackInit(ST* ps);

//销毁栈
void StackDestory(ST* ps);

//入栈
void StackPush(ST* ps, STDateType x);

//出栈
void StackPop(ST* ps);

//取出栈顶元素
STDateType StackTop(ST* ps);

//获取当前栈大小
int StackSize(ST* ps);

//判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps);

Stack.c:

#include"Stact.h"

//初始化
void StackInit(ST* ps)
{
	ps->a = (STDateType*)malloc(sizeof(STDateType) * 4);
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 4;
}

//销毁栈
void StackDestory(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}

//入栈
void StackPush(ST* ps, STDateType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		STDateType* tmp = (STDateType*)realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDateType));
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit (-1);
		}
		else
		{
			ps->a = tmp;
			ps -> capacity *= 2;
		}
	}
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}


//出栈
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	ps->top--;
}

//获取栈顶元素
STDateType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	return ps->a[ps->top - 1];
}

//获取栈元素个数
int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

//判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

如果写C++代码，那么这里的栈以直接用STL里面的栈，很方便。